DFG, 174776315, FOR 1557: Simulation and Evaluation of Acoustical Environments (SEACEN)BMBF,13EZ1126A, OIWOB - Orientieren, Informieren, Warnen. Orientierungshilfe für Blind

Brinkmann, Fabian

Fuß, Alexander

Jürgensohn, Thomas

Weinzierl, Stefan

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This version is available at https://doi.org/10.14279/depositonce-8801Copyright applies. A non-exclusive, non-transferable and limited right to use is granted. This document is intended solely for personal, non-commercial use.Terms of UseFuß, Alexander; Brinkmann, Fabian; Jürgensohn, Thomas; Weinzierl, Stefan (2015): Ein vollsphärisches Multikanalmesssystem zur schnellen Erfassung räumlich hochaufgelöster, individueller kopfbezogener Übertragungsfunktionen. In: Fortschritte der Akustik - DAGA 2015: 41. Jahrestagung für Akustik, 16. - 19. März 2015 in Nürnberg. Berlin: Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. pp. 1114–1117.Alexander Fuß, Fabian Brinkmann, Thomas Jürgensohn, Stefan WeinzierlEin vollsphärisches Multikanalmesssystem zur schnellen Erfassung räumlich hochaufgelöster, individueller kopfbezogener ÜbertragungsfunktionenPublished versionConference paper  |Ein vollspha¨risches Multikanalmesssystem zur schnellen Erfassung ra¨umlichhochaufgelo¨ster, individueller kopfbezogener U¨bertragungsfunktionenAlexander Fuß1, Fabian Brinkmann1, Thomas Ju¨rgensohn2, Stefan Weinzierl11 Audio Communication Group TU Berlin, Einsteinufer 17c, D-10587 Berlin, GermanyEmail: alexanderfuss@mailbox.tu-berlin.de, {fabian.brinkmann, stefan.weinzierl}@tu-berlin.de2 HFC Human-Factors-Consult GmbH, Ko¨penicker Straße 325, D-12555 Berlin, GermanyEmail: juergensohn@human-factors-consult.deEinleitungKopfbezogene U¨bertragungsfunktionen (head-relatedtransfer functions - HRTFs) beschreiben die Freifeld-schallu¨bertragung von einer Quelle zu den Ohren einerPerson und enthalten alle fu¨r das ra¨umliche Ho¨renverfu¨gbaren Cues. Bedingt durch morphologische Unter-schiede von Pinna, Kopf und Torso treten bei binauralerWiedergabe nicht-individueller HRTFs unter anderemLokalisations- und Klangfarbenfehler auf, weswegendie Verwendung individueller HRTFs diesbezu¨glich zubevorzugen ist. Die Messung von HRTFs stellt jedoch inBezug auf das Messsystem und die Signalverarbeitungeine Herausforderung dar. So existieren verschiedeneAnsa¨tze fu¨r deren Akquise, die sich in der Messme-thode, der Auﬂo¨sung der gewonnen Daten, sowie derMessdauer unterscheiden. Letztere spielt bei der Akquiseindividueller Signale eine wichtige Rolle. Eine verku¨rzteMesszeit, die ungewollte Kopfbewegungen und Messar-tefakte verringert, kann sowohl genauer als auch fu¨r dieVersuchspersonen komfortabler sein kann. Im Rahmendieser Studie wird die Entwicklung und Evaluation einesSystems zur Messung vollspha¨rischer individueller HRTFDatensa¨tze beschrieben. Bei simultaner Wiedergabe derMesssignale u¨ber 37 Lautsprecher und kontinuierlicherDrehung der Versuchsperson, konnte eine Messdauervon einer Minute bei hoher ra¨umlicher HRTF-Auﬂo¨sungerzielt werden. Zur Systemidentiﬁktion wurden adap-tive Normalized Least Mean Square (NLMS) Filterverwendet. Vorla¨uﬁge Ergebnisse zeigten eine zufrieden-stellende U¨bereinstimmung zu mit sequentiellen Sweepsgemessenen HRTFs.Adaptive Systemidentiﬁkation mit NLMSDer adaptiven NLMS Algorithmus ermo¨glicht HRTF-Messungen fu¨r quasi-kontinuierliche Azimutwinkel durchkontinuierliche Drehung der zu vermessenden Person, wo-bei die Lautsprecher an diskreten Elevationen φ angeord-net sind [1]. Die kopfbezogenen Impulsantworten (head-related impulse responses - HRIRs) hˆl/rφ (n+1) mit einerLa¨nge von N Samples werden dabei iterativ gescha¨tzthˆl/rφ (n+ 1) = hˆl/rφ (n) + μel/r(n)xTφ (n)∑φ‖xφ‖22. ∀ φ (1)Hierbei ist der Zeitpunkt n + 1 Samples gleichbedeu-tend mit einen Azimuth von θn+1 Grad. Die Scha¨tzungist abha¨ngig von der die Adaptionsgeschwindigkeit be-stimmenden Schrittgro¨ße μ, sowie vom Fehler el/r(n),zwischen tatsa¨chlichem und gescha¨tztem Mikrofonsignalyl/r(n), bzw. yˆl/r(n)el/r(n) = yl/r(n)−∑φhˆl/rφ (n)xφ(n)︸ ︷︷ ︸yˆl/r(k). ∀ φ (2)yˆl/r(n) ergibt sich dabei aus einer Skalarprodukt der inxφ(n) enthaltenen N letzten Samples des Anregesignalsmit der aktuellen HRIR-Scha¨tzung hˆl/rφ (n). Innerhalbder Stabilita¨tsbedingung 0 < μ < 2 ist die Schrittweitebei rauschbehafteten Messungen ein Kompromiss zwi-schen maximaler Konvergenzgeschwindigkeit fu¨r μ = 1und steigender Rauschunterdru¨ckung des adaptiven Fil-ters mit sinkendem μ [2].MesslautsprecherDie 37 verwendeten Lautsprecher wurden eigens fu¨r dasMesssystem im Closed-Box-Design entwickelt. Die an siegestellten Anforderungen waren (a) ein hoher Signalpegelbei mo¨glichst niedrigen nichtlinearen Verzerrungen, umeinen ausreichenden Signal-Rauschabstand zu erreichen,(b) eine breitbandige und zeitinvariante U¨bertragung,und (c) eine mo¨glichst omnidirektionale Schallabstrah-lung. Da letzteres unter realen Bedingungen nur an-gena¨hert werden kann, sollten zumindest die fu¨r dieHRTF besonders relevanten Ko¨rperteile Kopf, Schulternund Torso innerhalb der Hauptkeule (-3dB-Bereich) desLautsprechers liegen. Eine Simulation des Abstrahlver-haltens, angena¨hert durch eine kreisfo¨rmigen Kolben-membran in einer schallharten Wand [3], ergab, dass die-ses Kriterium fu¨r einen Messabstand von 1.5 m und eine2-Zoll-Membran fu¨r Kopf und Schultern bis 20 kHz undfu¨r den Torso bis ca. 10 kHz erfu¨llt ist. Dabei stellt dieMembrangro¨ße in diesem Fall einen Kompromiss aus er-reichbarem Signalpegel und Omnidirektionalita¨t dar.Außerdem wurde eine Abscha¨tzung des Hochpassver-haltens mit Hilfe von Thiele-Small-Parametern [4] fu¨r28 Treiber (1 – 3 Zoll) durchgefu¨hrt, um deren tieﬀre-quentes Verhalten im Bereich um die Resonanzfrequenzin Abha¨ngigkeit mo¨glicher Geha¨usevolumina zu simulie-ren. Anhand der Ergebnisse sowie von Herstelleranga-ben wurde eine Vorauswahl von fu¨nf Treibern getroﬀen.Diese wurden – eingebaut in prototypischen Geha¨usenDAGA 2015 Nürnberg1114Abbildung 1: Links: Frequenzgang der Messlautsprecher imeingebauten Zustand (Sechstel-Oktav gegla¨ttet). Rechts: Bei-spielhafter Messlautsprecher im Geha¨use.mit unterschiedlichen Volumina – hinsichtlich frequenz-abha¨ngiger Senisitivity, Impedanz und nichtlinearer Ver-zerrung vermessen. Zudem wurden 20-minu¨tige Bela-stungstests durch wiederholte Messung des Frequenz-gangs durchgefu¨hrt, um die Zeitvarianz der Treibermo-delle zu analysieren.Nach Begutachtung der Ergebnisse wurde der Peer-less NE65-04 2-Zoll-Treiber ausgewa¨hlt, da er bei einerLeistungsaufnahme von 5 W eine ausreichende Sensi-tivity (82 dB SPL @ 1kHz/1.3 m) bei vergleichsweisegeringen nichtlinearen Verzerrungen (≤ −40 dB THD,∀f ≥ 1 kHz) und Zeitvarianzen (≤ 1 dB) aufwies. Zu Ver-meidung von Geha¨useﬂexionen wurden zylinderfo¨rmigeGeha¨use mit abgerundeten Kanten [5] aus Polyformal-dehyd Copolymer-Hohlsta¨ben (POM-C) hergestellt. DieGeha¨use umschließen ein Volumen von 0,2 Liter und wur-den zur Beda¨mpfung von Resonanzen mit Polyesterwollegefu¨llt. Die Messlautsprecher zeigten im eingebauten Zu-stand zwischen 170 Hz bis 20 kHz gut kompensierbareFrequenzgangsverzerrungen von ±5 dB und eine geringeVarianz (≤ 3 dB @ 1 kHz, s. Abb. 1).MesssystemDas in Abb. 2 dargestellte Messsystem besteht aus ei-nem Außen- und Innenkreis. Der aus 37 angewinkel-ten Konstruktionsproﬁlen zusammengesetzte und ela-stisch gelagerte Innenkreis tra¨gt die Messlautsprecher,die in 10◦ Absta¨nden aufgeha¨ngt und auf den Kreismit-telpunkt ausgerichtet sind. Durch kleinere Proﬁlstu¨ckeam Nord- und Su¨dpol wurde hier der Abstand hal-biert, wodurch eine 5◦-Auﬂo¨sung der Elevation nacheiner kompletten Drehung der Versuchsperson erreichtwurde. Reﬂexionen durch die Kreiskonstruktion sowiebenachbarte Lautsprecher wurden durch poro¨se Absor-ber beda¨mpft. Der Abstand der Lautsprechermembra-nen zum Kreismittelpunkt betra¨gt 1.47 m, wodurch Re-ﬂexionen von gegenu¨berliegenden Lautsprechern mit et-wa 8.5 ms Verzo¨gerung am Ohr eintreﬀen und ohneBeeinﬂussung der HRIR durch Fensterung eliminiertwerden ko¨nnen. Um die Messung fu¨r HRIRs niedri-ger Elevationen mo¨glichst wenig zu beeinﬂussen, wurdenDrehteller und Messstuhl auf einem weitgehend schall-durchla¨ssigen Gitterpodest montiert. Zur pra¨zisen Posi-tionierung der Versuchsperson im Mittelpunkt des Sy-stems und u¨ber der vertikalen Drehachse des Dreh-tellers, ist der Messstuhl in Ho¨he und Position (vor-Abbildung 2: HRTF Messsystem mit FABIAN im reﬂexi-onsarmen Raum der TU Berlin.ne/hinten) verstellbar. Die Positionierung kann dabeidurch zwei auf die Arraymitte ausgerichtete Kreuzlini-enlaser u¨berpru¨ft werden. Die Versuchsperson kann mitUmdrehungsgeschwindigkeiten von einer bis zehn Minu-ten rotiert werden. Aufgrund des Riemenantriebs durcheinem Bu¨rstenlosem DC-Motor ist die Drehung praktischlautlos.Das Messsystem wird u¨ber einen PC mit zweikaskadierten Audiointerfaces (RME HDSPe RayDAT,RME HDSPe AIO) angesteuert. Die hier erzeugten37-kanaligen Anregungssignale werden u¨ber fu¨nf jeachtkanalige DA-Wandler und Versta¨rker (BehringerADA8000, Cloud CXA 850 ) an die Lautsprecher ge-sendet. Die Versta¨rker weisen vernachla¨ssigbare Fre-quenzgangsschwankungen von < ±0.5 dB und nicht-lineare Verzerrungen von ≤ −70 dB THD+N auf.Die U¨bersprechda¨mpfung benachbarter Kana¨le betra¨gt≤ 55 dB unterhalb und ≤ 45 dB oberhalb von 4 kHz.Als Mikrofonvorversta¨rker wurde eine Lake People C360eingesetzt.EvaluationZur Validierung des Messaufbaus und der Signalverar-beitung wurden beispielhaft HRTF-Messungen mit demKopf und Torso Simulator FABIAN [6] durchgefu¨hrt, wo-zu die ITA-Toolbox [7] um eine Klasse zur Messung unterVerwendung von NLMS erweitert wurde.Zuna¨chst wurde hierfu¨r der Einﬂuss der Filterla¨nge Nauf das Ergebnis der Messung untersucht. Da sich dieAdaptionsgeschwindigkeit der NLMS-Filter mit steigen-dem N verringert, sollte N mo¨glichst klein gewa¨hlt wer-den, ohne dabei die Messung durch zeitliches Aliasing –das Auftritt, wenn die Filterla¨nge ku¨rzer als die zu mes-sende Impulsantwort ist [8] – zu beeinﬂussen. Eine imMittelpunkt des Arrays gemessene Impulsantwort wieseine La¨nge von etwa 3000 Samples und einen SNR vonDAGA 2015 Nürnberg11150 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500−80−60−40−200t in samplesMagnitude in dB0 200 400 600 800 1000−80−60−40−200t in samplesMagnitude in dB0 200 400 600 800 1000−80−60−40−200t in samples1 10 20−3−2−10123f in kHzDifference in dBAbbildung 3: Einﬂuss der Filterla¨nge N auf das Messergebnis: In der Mitte des Messsystems gemessene Raumimpulsantworten(oben: N = 3500; mitte, links: N = 256; mitte, rechts: N = 1024) und aus der Begrenzung der Filterla¨nge resultierende spektraleAbweichungen (unten).70 dB auf (Abb. 3, oben). Zudem zeigte sie eine durchgegenu¨berliegende Lautsprecher bedingte Reﬂexion ca.350–400 Samples (8–9 ms) hinter dem Direktschall. Beieiner Filterla¨nge von N = 256 Samples verfa¨lscht die-se, bedingt durch zeitliches Alisasing, den Verlauf derImpulsantwort und fu¨hrt zu einem Fehler von 3 dB imBetragsfrequenzgang (s. rote Kurven in Abb. 3). Erst beieiner Filterla¨nge von N = 1024 wird dieser Fehler auf un-ter 0.5 dB begrenzt, was als guter Kompromiss zwischenAdaptionsgeschwindigkeit und auftretendem Aliasing an-gesehen wurde (s. blaue Kurven in Abb. 3).Fu¨r anschließende HRIR-Messungen mit einer La¨ngevon 1024 Samples wurde FABIAN auf dem Messstuhlplatziert und das interaurale Zentrum mit Hilfe derKreuzlinien-Laser im Kreismittelpunkt positioniert. ZurBestimmung der Azimutposition wa¨hrend der Drehungwurde ein elektromagnetischer Head-Tracker (PolhemusPATRIOT ) verwendet. Als Anregesignale dienten per-fekte Sweeps [9] der La¨nge N · C, wobei C die Anzahlder Kana¨le/Messlautsprecher bezeichnet. Die Anregungder Lautsprecher erfolgte dabei mit um i · N Samplesverzo¨gerten Signalen, mit i = {0, 1, . . . , C − 1}. Es wur-den 37-kanalige Messungen mit Umdrehungsgeschwindig-keiten von T360 = {60, 120, 240} Sekunden durchgefu¨hrt,bei denen FABIAN um 450◦ gedreht wurde. Die Mes-sungen dauerten somit 75, 150 und 300 Sekunden. Diezusa¨tzliche 90◦-Drehung diente dabei der Adaption derFilter, sowie der Minimierung von Zeitvarianzen durchErwa¨rmung der Lautsprecher. Um durch Start- und End-punkt der Messung entstehende Unstetigkeiten bei fron-talen Quellpositionen zu vermeiden, wurde die Messungbei einem Azimuth von 90◦ gestartet. Alle Ergebnissewurden mit Schrittweiten von μ = {0.25, 0.5, 1} aus-gewertet. Die Kompensation der in der Messstrecke in-volvierten elektroakustischen U¨bertrager erfolgte anhandzuvor durchgefu¨hrter Referenzmessungen, fu¨r die FA-BIANs Mikrofone im Zentrum des Lautsprecherarraysaufgebaut wurden. Um die Reﬂexion gegenu¨berliegenderLautsprecher zu entfernen, wurden die HRIRs anschlie-ßend auf eine La¨nge von 132 Samples (3 ms) geku¨rzt.HRTFs in der Horizontalebene (φ = 0◦) sind beispiel-haft in Abb. 4 fu¨r das linke Ohr dargestellt. Ergebnis-se fu¨r Umdrehungsgeschwindigkeiten (T360 = 60 s) wei-sen hochfrequent Unstetigkeiten u¨ber dem Azimutwinkelauf, die auf eine zu geringe Adaptionsgeschwindigkeit derFilter schließen lassen. Diese Unstetigkeiten nehmen mitsteigender Umdrehungszeit ab und sind fu¨r T360 = 240Sekunden nicht mehr sichtbar (vgl. Abb. 4, oben). EinVergleich der Schrittweite bei gleichbleibender Umdre-hungszeit zeigt einen gla¨ttenden Eﬀekt fu¨r kleine μ, dersich besonders hochfrequent zeigt (vgl. Abb. 4, unten).FazitEin 37-kanaliges Messsystem zur vollspha¨rischenund schnellen Erfassung individueller, kopfbezoge-ner U¨bertragungsfunktionen wurde entwickelt undumgesetzt. Unter Verwendung von NLMS konntemit diesem System ein HRTF-Datensatz mit einerquasi-kontinuierlichen Azimutauﬂo¨sung und einer 5◦-Auﬂo¨sung der Elevation innerhalb von ein bis fu¨nfMinuten gemessen werden. Erste Ergebnisse sind viel-versprechend, ein Vergleich zu einer Referenz, bestehendDAGA 2015 Nürnberg1116Abbildung 4: Betragsspektren von HRTFs des linken Ohres in der Horizontalebene. Umdrehungsgeschwindigkeiten T360 von60, 120 und 240 Sekunden sind oben, Schrittweiten μ von 0.25, 0.5 und 1 unten dargestellt. Die Farbskala kennzeichnet dieAmplitude in dB.aus mit sequentiellen Sweeps gemessenen HRTFs anhandvon physikalischen Fehlermaßen [10] steht noch aus.In weiteren Untersuchungen soll zudem die Evalua-tion um HRTF-Messungen unter Verwendung zeitlichverschachtelter Sweepmessungen (optimized MESM )erga¨nzt werden, sowie die Erstellung einer umfangrei-chen HRTF-Datenbank inklusive anthropometrischerDaten erfolgen. Daru¨ber hinaus soll der Einﬂuss opti-mierter adaptiver Filter auf Messergebnisse untersuchtwerden [11, 12].DanksagungDiese Studie wurde durch das DFG-Projekt Simulati-on und Evaluation virtueller akustischer Umgebungen–SEACEN (DFG WE 4057/3-2), sowie dem BMBF-Projekt Orientieren, Informieren, Warnen. Orientie-rungshilfe fu¨r Blinde – OIWOB gefo¨rdert. Wir dan-ken Dr.-Ing. Roman Tschakert vom Institut fu¨rStro¨mungsmechanik und Technische Akustik der TUBerlin fu¨r die Unterstu¨tzung der Messreihe.Literatur[1] Enzner., G.: 3D-continuous-azimuth acquisition of headrelated impuls responses using multi-channel adaptive ﬁl-tering. IEEE WASPAA (2009), New Paltz, USA.[2] Paleologu, C., Ciochina, S., Benesty, J.: Variable Step-Size NLMS Algorithm for Under-Modeling Acoustic EchoCancellation. IEEE Signal Process. Lett., 15 (2008), 5-8.[3] Mo¨ser, M.: Technische Akustik. Springer, Berlin, Heidel-berg, Germany, 8. Auﬂ. (2009).[4] Small., R.H.: Closed-Box Loudspeaker Systems Part I:Analysis. J. Audio Eng. Soc., 20 (1972), 798-808.[5] Masiero, B., Pollow, M., Fels, J.: Design of a fast broad-band individual head-related transfer function measu-rement system. 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Ein vollsphärisches Multikanalmesssystem zur schnellen Erfassung räumlich hochaufgelöster, individueller kopfbezogener Übertragungsfunktionen

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